Квантовая механика
1. Фотоэффект. Квантовый характер электромагнитного излучения. Формула Эйнштейна для фотоэффекта.
Фотоэффект — это испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения (фотонов). Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внутренний фотоэффект это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. Вентильный фотоэффект это возникновение ЭДС при освещении контакта полупроводников при отсутствии внешнего поля.
Чтобы объяснить распределение энергии в спектре теплового излучения Планк допустил, что электромагнитные волны испускаются порциями (квантами). Эйнштейн в 1905 г. пришел к выводу, что излучение не только испускается, но и распространяется и поглощается в виде квантов. Этот вывод позволил объяснить все экспериментальные факты (фотоэффект), которые не могла объяснить классическая электродинамика, исходившая из волновых представлений о свойствах излучения. Таким образом, распространение света следует рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных частиц, движущихся со скоростью с распространения света в вакууме. Впоследствии эти частицы получили название фотонов.
2. Фотоны. Энергия, масса и импульс фотона. Корпускулярно-волновой дуализм света.
Фотон — элементарная частица, квант электромагнитного излучения. Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения. В физике фотоны обозначаются буквой γ.
Энергия фотона: ε = hν, где h = 6,626 · 10^-34 Дж·с – постоянная Планка, ν- частота.
Масса фотона: m = h·ν/c^2. Эта формула получается из формул: ε = hν и ε = m·c^2. Масса, определяемая формулой m = h·ν/c^2, является массой движущегося фотона. Фотон не имеет массы покоя (m0 = 0), так как он не может существовать в состоянии покоя.
Импульс фотона: Все фотоны движутся со скоростью с = 3·10^8 м/с. Очевидно импульс фотона P = m·c, откуда следует, что P = h·ν/c = h/λ.
Корпускулярно-волновой дуализм (или Квантово-волновой дуализм). Фотоэффект подтверждает корпускулярную природу света. Свет ведет себя как поток частиц – фотонов. Cвет обладает одновременно и свойствами корпускул(частицами вещества), и свойствами волн. Любой материальный объект физического мира обладает как корпускулярными (энергия ,импульс, скорость частицы) так и волновыми (частота ω, волновой вектор k волны де Бройля, групповая скорость волны) свойствами. Поэтому говорят, что свету свойственен корпускулярно-волновой дуализм.
3. Гипотеза де Бройля. Волна де Бройля. Экспериментальное подтверждение волновых свойств частиц.
В 1924 г. французский физик де Бройль высказал смелую гипотезу о сходстве между светом и частицами вещества, что если свет обладает корпускулярными свойствами, то и материальные частицы, в свою очередь, должны обладать волновыми свойствами. Движению любой частицы, обладающей импульсом , сопоставляется волновой процесс с длиной волны
Опыты по обнаружению дифракции микрочастиц, являющиеся экспериментальной проверкой гипотезы де-Бройля, были проделаны многими учёными.